不同空隙率下雙層瀝青混合料的細(xì)觀特性研究★

李 依 　 丁 燕

(揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州　225000)

0　引言

瀝青路面在使用過程中，整體強(qiáng)度降低的根本原因是外界環(huán)境和行車荷載的藕合作用而導(dǎo)致混合料內(nèi)部空隙的擴(kuò)展、瀝青結(jié)合料的老化[1]。事實上，瀝青混合料的宏觀力學(xué)性能受其細(xì)觀結(jié)構(gòu)控制，宏觀的破壞行為是細(xì)觀尺度上的損傷行為累積和發(fā)展的結(jié)果[2]。僅有宏觀唯象研究，而無細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演化分析，難以揭示材料破壞的物理機(jī)制。

吳文亮等[3]選擇粗集料顆粒長軸方向為車轍性能指標(biāo)，利用圖像處理技術(shù)分析截面粗集料主軸方向的變化規(guī)律。傅香如等[4]通過縱斷面內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，統(tǒng)計計算集料主軸方向角，發(fā)現(xiàn)成型方式影響集料取向。

1　數(shù)字圖像處理研究

數(shù)字圖像處理(Digital Image Processing)是通過計算機(jī)對圖像進(jìn)行去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等處理的方法和技術(shù)。

本節(jié)將以基于旋轉(zhuǎn)壓實成型的雙層瀝青混合料組合試件的曲面切面圖像的處理作為論述對象，兩種試件級配組合分別為SMA+SUP和SMA+AC，闡述數(shù)字圖像處理基本過程，見圖1。

1.1　截取截面

采用曲面切割方法，選用芯樣圓柱體側(cè)面為采集對象。切割設(shè)備以及切割完成的試件見圖2。

1.2　圖像采集

圖像采集時，在采集面正面兩側(cè)布置LED燈管，保證光照的均勻性，如圖3所示。然后利用CCD線陣掃描相機(jī)采集圖像，后期進(jìn)行截取拼接，最終得到相應(yīng)尺寸的圓柱體試件表面圖像。

1.3　灰度處理

本文實現(xiàn)灰度轉(zhuǎn)化，采用平均值處理法，結(jié)果如圖4所示。

1.4　圖像二值化

對1.3灰度化的圖像進(jìn)行二值化處理。首先確定一個灰度閾值，當(dāng)某個像素點(diǎn)的灰度不小于閾值時就認(rèn)為是集料，反之則判斷為瀝青，結(jié)果見圖5。

2　切面圖像特征參數(shù)獲取

由于雙層瀝青混合料層間粘層油用量較少，對特征參數(shù)研究影響較小，故本節(jié)僅對無粘層油的雙層瀝青混合料試件切面圖像進(jìn)行分析。

2.1　集料主軸角度排列分布

集料的主軸角度由每個像素點(diǎn)所代表的實際面積及長度求得。方向角為顆粒主軸或者長軸方向和豎直方向的夾角，如圖6所示。當(dāng)方位角為0°或180°時，表示集料顆粒處于“站立”狀態(tài)；當(dāng)方位角為90°時，表示集料顆粒處于“平躺”狀態(tài)。從受力穩(wěn)定角度考慮，普遍認(rèn)為平躺狀態(tài)是最穩(wěn)定的狀態(tài)。

本研究采用IPP軟件對切面圖像的顆粒主軸角度進(jìn)行統(tǒng)計分析，研究模擬不同車轍形變程度下試件切面顆粒主軸角度分布情況。實驗結(jié)果為兩種級配組合(SMA+SUP和SMA+AC)試件對應(yīng)車轍形變5 mm,10 mm,15 mm,20 mm時，對應(yīng)不同空隙率，顆粒主軸方向角度分布情況，見圖7,圖8。原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值分布情況見圖9,圖10。

由圖7，圖8可知，車轍形變程度加深，兩種結(jié)構(gòu)組合切面內(nèi)所有顆粒的主軸角度分布規(guī)律均服從正態(tài)分布，呈現(xiàn)良好的一致性。且試件內(nèi)部顆粒主軸角度多接近90°，處于“平躺”狀態(tài)，說明壓實狀態(tài)良好。當(dāng)混合料整體受軸向荷載作用時，內(nèi)部豎向集料處于運(yùn)動狀態(tài)，集料會主動保持“平躺”狀態(tài)，即有使主軸方向垂直于重力場方向的趨勢，以保持自身穩(wěn)定。

由圖9可知，隨著車轍形變程度的增加，空隙率降低，標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，表明隨著壓密程度加深，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，主軸方向角度接近90°的顆粒逐漸增多。由圖10，對比兩種級配組合混合料顆粒主軸角度的平均值，前者更接近90°。分析認(rèn)為SUP-20級配中骨料較多，更易形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，從而擁有更好的高溫穩(wěn)定性。

2.2　瀝青面積比變化

瀝青混合料二維切面圖像主要是明暗相間的兩相體系，礦料顆粒呈現(xiàn)明相，瀝青、礦粉和空隙構(gòu)成的體系呈現(xiàn)暗相，因此單靠集料形態(tài)特征不能表征混合料表面全部圖像特征。研究表明，混合料的體積組成更能決定其性質(zhì)，而瀝青含量直接影響瀝青混合料的體積指標(biāo)?；谇捌谘芯?，認(rèn)為瀝青面積比可以從一定程度上表征瀝青混合料膠漿(瀝青)的含量。

由二值化處理圖像獲得相應(yīng)識別數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析得到不同空隙率下的瀝青面積比，計算公式見式(1)。試驗結(jié)果見圖11。

(1)

其中，PA為瀝青面積比；Nb為閾值分割點(diǎn)左邊各灰度對應(yīng)像素點(diǎn)個數(shù)；Na為閾值分割點(diǎn)左邊各灰度孔洞對應(yīng)像素點(diǎn)個數(shù)；N為像素點(diǎn)總和。

由圖11可知，車轍形變程度增加，空隙率降低，瀝青面積比整體呈先降低后增長的趨勢?？障堵瘦^大時，瀝青的蠕動遷移比較頻繁，導(dǎo)致瀝青面積比變化較大；后期空隙率減小，混合料逐漸密實，局部骨料可能被壓碎，被瀝青吞噬，導(dǎo)致瀝青膠漿含量增多，瀝青面積比緩慢增加。

3　抗剪性能

本節(jié)從集料顆粒主軸方位角標(biāo)準(zhǔn)差和瀝青面積比兩個方面研究分析混合料組合抗剪性。

由圖12可知，車轍形變量增大，空隙率降低，顆粒主軸方向角標(biāo)準(zhǔn)差緩慢減小，抗剪強(qiáng)度隨之增加。主軸方向角標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，表明更多的集料顆粒主軸方向角約為90°，即集料處于穩(wěn)定狀態(tài)，嵌擠能力提高，抗剪強(qiáng)度固然增強(qiáng)。

由圖13可知，對比不同車轍階段，瀝青面積比的變化略有不同。車轍前期，瀝青面積比減小，抗剪強(qiáng)度增大；車轍后期，瀝青面積比與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系較為復(fù)雜，整體呈現(xiàn)遞增趨勢。究其原因，主要是混合料試件上面層是骨架密實結(jié)構(gòu)，下面層是懸浮密實結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)在壓密過程中表現(xiàn)不一致，故車轍后期才會出現(xiàn)復(fù)雜的變化情況。

4　結(jié)語

1)兩種典型級配組合在路面使用階段，隨著車轍形變程度不斷加深，兩種結(jié)構(gòu)組合切面內(nèi)所有顆粒主軸角度分布呈正態(tài)，呈現(xiàn)良好的一致性，試件內(nèi)部顆粒主軸角度大多接近90°。且車轍形變程度增加，主軸方向角度接近90°的顆粒逐漸增多。SMA+SUP級配組合混合料顆粒主軸角度的平均值更接近90°。

2)瀝青面積比變化反映了瀝青的蠕動遷移情況，隨著車轍深度的逐漸加深，空隙率逐漸下降，瀝青面積比整體呈先降低后增長趨勢。

3)抗剪強(qiáng)度隨著顆粒主軸方向角標(biāo)準(zhǔn)差減小而增加。對比不同車轍階段，瀝青面積比對抗剪強(qiáng)度的影響略有不同。車轍前期，抗剪強(qiáng)度隨瀝青面積比的減小而增大；車轍后期，瀝青面積比與抗剪強(qiáng)度較為復(fù)雜，整體呈現(xiàn)遞增趨勢。